间歇式超声辅助金针菇菇根多糖提取工艺研究

张明，李新胜，马超，王朝川，孟晓峰

（中华全国供销合作总社济南果品研究院，山东济南250014）

间歇式超声辅助金针菇菇根多糖提取工艺研究

张明，李新胜*，马超，王朝川，孟晓峰

（中华全国供销合作总社济南果品研究院，山东济南250014）

采用间歇式超声辅助提取金针菇菇根多糖，通过单因素试验和响应面试验设计优化金针菇菇根多糖提取工艺条件。结果表明，影响金针菇菇根多糖得率的工艺因素按主次顺序排列为后段超声时间（C）＞恒温提取时间（B）＞前段超声时间（A）。确定金针菇菇根多糖最佳提取工艺条件为提取液pH5，料液比1∶30（g/mL），提取温度90℃，超声功率400 W，前段超声时间20 min，恒温提取时间130 min，后段超声时间23 min，在此最佳条件下，多糖得率为7.24%。在超声时间和恒温提取时间相同条件下，该方式多糖得率比“前超声辅提+恒温提取”方式和“恒温提取+后超声辅提”方式分别提高6.3%和5.6%，比直接恒温水浴提取提高12.76%。

金针菇菇根；多糖；间歇式超声辅提；响应面

金针菇（Flammulina velutipes）又名冬菇、朴菇、构菌、青杠菌、毛柄金钱菌，隶属担子菌亚门，层菌纲，伞菌目，口蘑科，金钱菌属[1]。金针菇菇根是工厂化金针菇生产加工过程中产生的副产物，约占原料的30%～40%[2]。金针菇菇根营养丰富，据测定，每100 g干金针菇菇根中含蛋白质16.99 g，总糖11.4 g，干物质46.7 g，并含有丰富的维生素和矿物质[3]。多糖是金针菇菇根中主要的生物活性成分，具有增强免疫力、降低胆固醇、抗衰老、抑制肿瘤等多种功效[4-7]。由于缺乏相关加工技术，这些副产物资源通常被作为肥料、饲料或被直接丢弃，不仅造成了资源的极大浪费，同时污染环境[8]。目前常用的多糖提取方法有热水浸提法、酸浸提法、碱浸提法、微波辅助提取法以及酶辅助提取法等[9]，尤以热水浸提法应用最为普遍，在水提多糖过程中，溶剂渗入和多糖溶出效率缓慢，提取效率低。因此，本文从提高多糖提取效率、增加多糖提取得率的角度出发，采用超声波辅助提取金针菇菇根多糖，区别于传统连续式超声辅提工艺，创新性采用“前段超声+恒温浸提+后段超声”模式的间歇式超声辅提工艺，充分结合热水浸提和超声波提取技术的优点，并通过响应面分析法优化了金针菇菇根多糖的间歇式超声辅助提取工艺，确定了最佳工艺参数，旨在为金针菇菇根多糖提取及金针菇菇根资源的高效利用提供一定的指导和借鉴。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

金针菇菇根粉，将干金针菇菇根（由高密市惠德农产品有限公司提供）粉碎，过100目筛。UV-1800型紫外可见分光光度计：上海美谱达仪器有限公司；pHS-3C雷磁pH计：上海仪电科学仪器股份有限公司；KQ-250B超声波设备：昆山市超声仪器有限公司；HH-4恒温水浴锅：江苏金坛市荣华仪器制造有限公司。

1.2 方法

1.2.1 多糖含量的测定

按照NY/T 1676-2008《食用菌中粗多糖含量的测定》所述方法进行多糖含量测定。

多糖提取得率/%=提取液中多糖总质量（g）/样品质量（g）×100

1.2.2 金针菇菇根多糖直接水提工艺的单因素试验

1.2.2.1 料液比对多糖得率的影响

准确称取5 g金针菇菇根粉数份，分别按料液比1 ∶20、1 ∶30、1 ∶40、1 ∶50（g/mL）加入蒸馏水，置于恒温水浴锅中，在60℃恒温条件下静置90 min，取出冷却，测定多糖提取得率。

1.2.2.2 提取温度对多糖得率的影响

准确称取5 g金针菇菇根粉数份，分别按料液比1∶30（g/mL）加入蒸馏水，置于恒温水浴锅，恒温提取60 min，提取温度分别为 60、70、80、90、100 ℃，取出冷却，测定多糖提取得率。

1.2.2.3 料液pH对多糖得率的影响

准确称取5 g金针菇菇根粉数份，分别按料液比1 ∶30（g/mL）加入蒸馏水，将 pH 分别调至 3、4、5、6、7，置于恒温水浴锅中，在60℃恒温条件下静置90 min，取出冷却，测定多糖提取得率。

1.2.3 间歇式超声辅助金针菇菇根多糖提取单因素试验

1.2.3.1 前段超声时间对多糖得率的影响

准确称取5 g金针菇菇根粉数份，分别按料液比1∶30（g/mL）加入蒸馏水，置于超声提取设备中，提取温度90℃，超声功率400 W，前段超声时间分别为5、10、15、20、25、30 min，取出后置于恒温水浴锅中，90℃条件下恒温提取60 min，然后置于超声提取设备中，与前超声相同条件下提取10 min，取出冷却，测定多糖提取得率。

1.2.3.2 恒温时间对多糖得率的影响

准确称取5 g金针菇菇根粉数份，分别按料液比1∶30（g/mL）加入蒸馏水，置于超声提取设备中，提取温度90℃，超声功率400 W，前段超声时间10 min，取出后置于恒温水浴锅中，90℃条件下分别恒温提取60、80、100、120、140、160、180、200 min，然后置于超声提取设备中，与前超声相同条件下提取10 min，取出冷却，测定多糖提取得率。

1.2.3.3 后段超声时间对多糖得率的影响

准确称取5 g金针菇菇根粉数份，分别按料液比1∶30（g/mL）加入蒸馏水，置于超声提取设备中，提取温度90℃，超声功率400 W，前段超声时间10 min，取出后置于恒温水浴锅中，90℃条件下恒温提取60 min，然后置于超声提取设备中，与前超声相同条件下分别提取 5、10、15、20、25、30 min，取出冷却，测定多糖提取得率。

1.2.4 间歇式超声辅助金针菇菇根多糖提取的响应面试验设计

选取前段超声时间、恒温提取时间、后段超声时间3个变量，进行响应面优化。试验因素与水平见表1。

表1 响应面因素水平编码表Table 1 Factors and levers of response surface test

1.2.5 回归模型验证和对比试验

按照Design Expert 8.0给出的最优参数进行试验，重复3次。对总超声提取时间和恒温提取时间进行合理组合，并结合最优参数结果设置3组对照试验①先进行超声提取，再进行恒温提取，提取时间依据最优参数。②先进行恒温提取，再进行超声提取，提取时间依据最优参数。③无超声波辅助，只进行恒温提取，提取时间依据最优参数。

1.3 处理与分析

响应曲面模型设计和显著性等分析通过Design Expert软件进行，系数的显著性通过Student t检验和P值进行分析。

2 结果与分析

2.1 金针菇菇根直接水提工艺研究

2.1.1 料液比对多糖得率的影响

不同料液比对多糖得率的影响见图1。

图1 不同料液比对多糖得率的影响Fig.1 Effect of different solid-liquid ratio on the yield of polysaccharides

如图 1 所示，在 1 ∶20（g/mL）至 1 ∶50（g/mL）范围内，随着加水量的增加，多糖得率先上升后逐渐趋于平稳，当料液比1∶30（g/mL）时多糖得率最高。由扩散定律可知，随着溶剂添加量的增加，多糖溶出量也相应增加；而随着原料中多糖含量的减少，导致体系浓度差减小，扩散速率降低，并逐渐达到平衡状态[10]。因此，本试验选取料液比为1∶30（g/mL）。

2.1.2 提取温度对多糖得率的影响

不同提取温度对多糖得率的影响见图2。

图2 不同提取温度对多糖得率的影响Fig.2 Effect of different extraction temperature on the yield of polysaccharides

如图2所示，在60℃～100℃范围内，随着提取温度的增加，多糖得率逐渐上升，90℃时达到最大值，随后趋于平稳。因此，本试验选取提取温度为90℃。

2.1.3 料液pH值对多糖得率的影响

不同pH值对多糖提取得率的影响见图3。

图3 不同pH值对多糖得率的影响Fig.3 Effect of different pH on the yield of polysaccharides

如图3所示，pH值对金针菇菇根多糖的提取得率影响显著，在pH2～8范围内，多糖提取得率呈现先缓慢上升，后迅速下降，并逐渐趋于平稳的趋势。当pH值为5时多糖得率最高。因此，本试验选择提取pH值为5。

2.2 间歇式超声辅助提取金针菇菇根多糖工艺研究

2.2.1 前段超声时间对多糖得率的影响

前段超声时间对多糖得率的影响见图4。

图4 不同前段超声时间对多糖得率的影响Fig.4 Effects of different front ultrasonic time on the yield of polysaccharides

由图4可知，在恒温提取和后超声处理相同条件下，随着前段超声时间的延长，多糖得率呈先上升后缓慢下降并逐渐平稳的趋势，当前段超声时间为20 min时，多糖得率最高。因此，初步选择最佳前段超声时间为20 min。

2.2.2 恒温提取时间对多糖得率的影响

不同恒温提取时间对多糖得率的影响结果见图5。

图5 不同恒温提取时间对多糖得率的影响Fig.5 Effects of different thermostat extraction time on the yield of polysaccharides

由图5可以看出，在前超声和后超声处理相同条件下，在0～120 min内，随着恒温提取时间的延长，多糖提取得率逐渐升高，120 min后逐渐趋于平稳，并略有下降。这主要是由于长时间的高温处理，使某些多糖结构遭到破坏。因此，初步确定最佳恒温提取时间为120 min。

2.2.3 后段超声时间对多糖得率的影响

不同后段超声时间对多糖得率的影响见图6。

由图6可知，在前超声和恒温提取处理相同条件下，随着后段超声时间的延长，多糖得率呈先上升后缓慢下降的趋势，当后段超声时间为20 min时，多糖得率最高。因此，初步选择最佳后段超声时间为20 min。

2.3 Box-Behnken响应曲面试验

2.3.1 响应面试验设计与结果

响应面试验设计及结果见表2。

图6 不同后段超声时间对多糖得率的影响Fig.6 Effects of different after ultrasonic time on the yield of polysaccharides

表2 响应面试验设计及结果Table 2 Response surface and results

2.3.2 拟合模型的建立

对数据进行回归分析，获得二元多次回归方程：Y=7.21+0.043A+0.055B+0.15C-0.058AB+0.007 5AC-0.018BC-0.12A2-0.046B2-0.15C2

式中：Y为多糖得率；A为前段超声时间，min；B为恒温提取时间，min；C为后段超声时间，min。

2.3.3 拟合方程方差分析

对模型的方差分析结果见表3。

分析结果表明，对金针菇菇根多糖得率所建立的二次多项式模型具有高度显著性（P＜0.000 3），方程负相关系数的平方（R2）为0.964 0，失拟项不显著（P=0.5800），R2adj=0.9177，说明建立的模型能够解释91.77%响应值的变化，能很好的描述间歇式超声辅助金针菇菇根多糖提取过程中多糖得率随提取条件的变化规律，可以用此模型对多糖得率进行分析和预测。

表3 回归模型方差分析Table 3 Variance analysis of regression equation

由表3可知，间歇式超声辅助提取金针菇菇根多糖的工艺参数中，影响多糖得率的因素按主次顺序排列为后段超声时间（min）＞恒温提取时间（min）＞前段超声时间（min）。在所选各因素水平范围内，A、B、C、AB、A2、B2、C2对 Y 的影响显著。由此可见，试验因素对响应值的影响不呈简单的线性关系，交互项和二次项对响应值也有较大的影响作用。

前段超声时间与恒温提取时间的响应面图见图7。

图7 前段超声时间与恒温提取时间的响应面图Fig.7 The response surface plot of front ultrasonic extraction time and thermostat extraction time

图7显示后段超声时间最佳为22.44 min时，前段超声时间与恒温提取时间对多糖得率的影响。当把恒温提取时间固定在120 min，随前段超声时间的增加，在试验范围内多糖得率先增加后减少，在20 min～25 min附近达到峰值。当把前段超声时间固定在20 min，随恒温提取时间的升高在试验范围内多糖得率持续增加，在120 min～140 min附近达到峰值。

前段超声时间与后段超声时间的响应面图见图8。

图8 前段超声时间与后段超声时间的响应面图Fig.8 The response surface plot of front ultrasonic extraction time and after ultrasonic extraction time

图8显示恒温提取时间最佳为128.92 min时，前段超声时间与后段超声时间对多糖得率的影响。当把前段超声时间固定在20 min，随前段超声时间的增加，在试验范围内多糖得率先增加后减少，在20 min～25 min附近达到峰值。当把后段超声时间固定在23 min，随恒温提取时间的升高在试验范围内多糖得率先升高后降低，在20 min～25 min附近达到峰值。

恒温提取时间与后段超声时间的响应面图见图9。

图9 恒温提取时间与后段超声时间的响应面图Fig.9 The response surface plot of thermostat extraction time and after ultrasonic extraction time

图9显示前段超声时间最佳值为20.44 min时，恒温提取时间与后段超声时间对多糖得率的影响。当把恒温提取时间固定在120 min，随后段超声时间的增加，在试验范围内多糖得率先增加后减少，在20 min～25 min附近达到峰值。当把后段超声时间固定在20 min，随恒温提取时间的升高在试验范围内多糖得率持续增加，在120 min～140 min附近达到峰值。

2.3.4 验证与对比试验

通过Design Expert 8.0.6分析得到间歇式超声辅助金针菇菇根多糖最佳提取条件为前段超声时间20.44 min、恒温提取时间128.92 min、后段超声时间22.44 min，在此条件下多糖得率的预测值为7.262%。为检验试验结果的可靠性，根据最优条件进行了验证试验，为方便实际操作，选取前段超声时间20 min、恒温提取时间130 min、后段超声时间23 min，在此条件下进行3次平行试验，实际测得多糖得率为7.240%，与模型预测值基本一致，充分说明了该模型能够较好地模拟和预测金针菇菇根多糖的间歇式超声辅助提取条件与多糖得率之间的关系，同时也说明了间歇式超声辅助工艺参数的可行性。不同提取方式对多糖得率的影响见表4。

表4 不同提取方式对多糖得率的影响Table 4 Effect of different extraction methods on polysaccharide yield

由表4可知，在超声时间和恒温提取时间相同条件下，间歇式超声辅提工艺的多糖得率比“超声辅提+恒温提取”和“恒温提取+超声辅提”分别提高6.3%和5.6%，比直接恒温水浴提取提高12.76%。

3 结论

本研究针对传统真菌多糖提取方式存在的提取效率低、固液扩散差、提取时间长、能耗大等突出问题，采用间歇式超声辅助提取金针菇菇根多糖，通过单因素试验和Box-Benhnken的中心组合设计响应面试验，得到影响金针菇菇根多糖得率的工艺因素按主次顺序排列为后段超声时间（C）＞恒温提取时间（B）＞前段超声时间（A）。最终确定最佳提取工艺条件为提取温度 90 ℃、提取液 pH5，料液比 1 ∶30（g/mL），超声功率400 W，前段超声时间20 min，恒温提取时间130 min，后段超声时间23 min，在此最佳条件下，多糖得率为7.24%。在超声时间和恒温提取时间相同条件下，比“前超声辅提+恒温提取”方式和“恒温提取+后超声辅提”方式分别提高6.3%和5.6%，比直接恒温水浴提取提高12.76%。

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Study on Optimization of Intermittent Ultrasonic Assisted Extraction of Polysaccharide from Base of Flammulina velutipes Root

ZHANG Ming，LI Xin-sheng*，MA Chao，WANG Chao-chuan，MENG Xiao-feng
（Jinan Fruit Research Institute，China Supply and Marketing Cooperatives，Jinan 250014，Shandong，China）

Polysaccharide in base of Flammulina velutipes root was extracted with the assistance of intermittent ultrasonic.By single factor experiment and response surface design in optimizing the Flammulina velutipes root polysaccharides extraction conditions.The results showed，polysaccharide yield was most significantly affected by extraction after ultrasonic time，followed by thermostat extraction time and front ultrasonic time.An optimum polysaccharide yield of 7.24%（on the basis of Flammulina velutipes root powder）were obtained when Flammulina velutipes root was treated with pH5，solid-liquid ratio 1∶30（g/mL），extraction temperature 90℃，ultrasonic power 400 W，front ultrasonic time 20 min，thermostat extraction time 130 min，after ultrasonic time 23 min.In the ultrasonic extraction time and thermostat extraction time under the same conditions，the polysac charide yield of the mode respectively 6.3%，5.6%，12.76%than the"front ultrasound+thermostat extraction"mode，the"thermostat extraction+after ultrasound"mode，the"direct thermostatic water bath extraction"mode.

Flammulina velutipes root；polysaccharide；intermittent ultrasonic assisted extraction；response surface

2016-09-21

10.3969/j.issn.1005-6521.2017.11.009

泰山产业领军人才项目（LJNY2015004）

张明（1988—），男（汉），实习研究员，硕士，研究方向：天然产物提取及功能食品研发。

*通信作者：李新胜（1957—），男，研究员，研究方向：农产品加工。